Modélisation d'un bassin d'orage en vue de l'amélioration de la qualité des rivières par la gestion en temps réel

Pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières en temps de pluie, le développement de règles de contrôle en temps réel de vannes placées à la sortie de bassins d’orage demande une analyse à long terme de différentes options, intégrant la prévision météorologique, la qualité de l’eau de la rivière à l’amont du rejet, le débit de la rivière et la qualité de l’eau dans le bassin d’orage, pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières. Pour cela, l’idéal est de tester ces règles à l’aide d’un modèle intégré du système « bassin versant – bassin d’orage – rivière ». Pour pouvoir faire des simulations à long terme, il faut un modèle de bassin d’orage rapide, qui permette de simuler la qualité de l’eau dans le bassin de façon précise quelles que soient les conditions d’exploitation. L’objet de cette thèse de doctorat a été de développer ce modèle de bassin d’orage. Ce modèle se base sur le principe de couches complètement mélangées superposées permettant de créer un gradient de concentrations pour représenter des phénomènes locaux tel que la pénétration de la lumière influençant la mortalité des pathogènes. Il se base également sur la définition de plusieurs classes de particules caractérisées par leurs vitesses de sédimentation, ces dernières étant déterminées expérimentalement à l’aide de tests ViCAs. Il incorpore également des polluants associés aux particules. L’élément de base, nommé cellule, est défini par une surface et une hauteur maximale au-delà de laquelle il y a débordement. Chaque cellule possède un volume d’eau variable dans le temps, divisé en plusieurs couches superposées, et d’une couche de sédiment de volume constant dans le temps. Pour reproduire le volume d’un bassin d’étude, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules les unes avec les autres. Ces connexions se font alors couche à couche ayant comme conditions que les niveaux d’eau de toutes les cellules soient à la même hauteur. Un modèle théorique d’évolution des concentrations en pathogènes incluant des processus complexes comme la croissance, l’adsorption sur les particules et la désinfection par la lumière a également été développé. Le calage du modèle a nécessité la collecte de données expérimentales; des campagnes de mesure ont été effectuées lors des étés 2008, 2009 et 2010 sur le bassin Chauveau de l’arrondissement des Rivières de la ville de Québec. Dans un premier temps, l’efficacité du bassin dans son fonctionnement actuel a été déterminée. Une efficacité moyenne d’épuration de 39% sur les matières en suspension (MeS), de 10% sur l’azote ammoniacal et de 20 % sur le zinc a été mise en évidence. Dans un deuxième temps, la sortie du bassin a été fermée à l’aide d’une structure de bois avec une porte guillotine permettant la rétention de l’eau pendant des durées variables. Cette deuxième configuration du bassin a permis d’améliorer l’efficacité du bassin de façon très importante pour les MeS (90%), l’azote ammoniacal (84%) et le zinc (42%). Des prélèvements ponctuels ont également été faits à l’intérieur du bassin, révélant une hétérogénéité des mesures en MeS entre la zone proche de l’entrée et la zone proche de la sortie, durant les 20 premières heures d’emmagasinement. Le modèle a montré sa capacité à reproduire le comportement de la concentration en matières en suspension à l’aide de 3 classes de particules associées à des vitesses de sédimentation de 80, 2 et 0.1 m/d. La représentation hydraulique du modèle a nécessité l’emploi de 5 cellules pour recréer l’hétérogénéité spatiale révélée par les campagnes d’échantillonnage. Finalement, une fonction de débit de resuspension a permis de modéliser les concentrations à la sortie du bassin d’orage. La validation a confirmé les bonnes performances du modèle pour l’hydraulique et la prédiction des matières en suspension en sortie de bassin. Elle a néanmoins révélé plusieurs points qui nécessiteraient des recherches plus approfondies : la définition du débit de resuspension des sédiments, la détermination de la masse initiale de sédiments dans le bassin, la possibilité d’utiliser plus de cellules pour mieux représenter le comportement hydraulique et l’intérêt de collecter des analyses ViCAs associés à chaque phase du pollutogramme de la pluie (début, pic de débit et fin). Avec ce modèle, les stratégies de gestion en temps réel de la vanne de sortie des bassins d’orage peuvent maintenant être déterminées.The development of real-time control rules of sluice gates located at a stormwater basin outlet requires testing various options, taking in account weather forecasts, water quality of the upstream river, river flow and water quality in the stormwater basin, by using long-term simulations to allow improved ecohydraulics of rivers. To do so, these rules have to be tested by using an integrated “watershed - storm basin – river” system. In order to perform long-term simulations, a stormwater basin model with small computation time is needed, which simulates the water quality in the basin accurately in function of imposed operating conditions. The purpose of this thesis was to develop such stormwater basin model. The developed model is based on superimposed homogeneous layers creating a concentration gradient to represent local phenomena such as light penetration affecting the mortality of pathogens. It is also based on the definition of several particle classes characterized by their settling velocities; the latter being determined experimentally using ViCAs tests. It also includes pollutants associated with particles. The basic unit, called cell, is defined by a surface and a maximum height above which water overflows. Each cell has a time-variable water volume, divided into several layers and a constant volume sediment layer. To reproduce spatial heterogeneity of an experimental stormwater basin, it is necessary to connect several cells. Connections are then done layer by layer with the condition that the water levels of all cells are at the same water height. A theoretical model describing the concentrations of pathogens, including complex processes such as growth, adsorption on particles and light disinfection has also been developed The calibration of the model required experimental data which were collected by sampling in the summers of 2008, 2009 and 2010 on the basin Chauveau in the “des Rivières” district of Quebec City. First, the efficiency of the basin in its current operation was determined. An average removal efficiency of 39% for total suspended solids (TSS), 10% for ammonia and 20% for zinc was revealed. In a second step, the stormwater basin outlet was closed with a wooden structure equipped with a guillotine door to retain the water for varying periods of time. The second configuration of the basin significantly improved the efficiency of the basin for TSS (90%), ammonia (84%) and zinc (42%). Samples were also collected within the basin, revealing heterogeneity in TSS measurements between the area near the inlet and the area near the outlet for the first 20 hours of storage. The model showed its ability to adequately reproduce the behavior of the TSS concentrations using three particle classes defined by settling velocities of 80, 2 and 0.1 m/d. For the hydraulics, five cells were required to recreate the spatial heterogeneity revealed by the sampling campaigns. Finally, the addition of a resuspension flowrate was needed to model the increased outlet TSS concentrations at the end of emptying. The validation confirmed the good performance of the model for the hydraulics and the prediction of outlet TSS concentration. It has also revealed several points that require further research: the definition of the sediment resuspension flowrate, determination of the initial mass of sediments in the stormwater basin, the possibility of using more cells to better represent the hydraulics and the interest of running ViCAs tests associated with each phase of the runoff (the beginning, the flow peak and the end). With this model, real-time control strategies for the outlet valve can now be tested